معرفی روش قرائت خودكار كنتور ( سيستم قرائت كنتور با استفاده از ZigBee )
در حال حاضر کنتورهای برق، آب و یا گاز با مراجعه ماهانه مأمور به محل نصب کنتورها قرائت می‌شود. با توجه به این که اغلب کنتورها در داخل منازل شخصی نصب هستند، اگر مصرف کننده در خانه نباشد مأمور نمی‌تواند مصرف مشترک را قرائت کند. عدم رضایت برخی مشترکین در مورد ورود مأموران قرائت کنتور به داخل منازل شخصی، استخدام نیروی انسانی، عدم امکان اندازه گیری مصرف لحظه‌ای مشترکین و در نتیجه عدم امکان مديريت توزيع توان از دیگر مشکلات روش موجود است. به منظور رفع این مشکلات تلاشهایی برای قرائت هوشمند کنتور (AMR) در جهان در حال انجام است. سيستم قرائت كنتور با استفاده از ZigBee یکی از این روش‌ها است که در ادامه باهم برسی می‌کنیم.
روش قرائت هوشمند كنتورها عبارت از فن‌‌آوری خودکار جمع‌آوری اطلاعات از كنتورهايی چون كنتور ديجيتالی آب، برق و یا گاز، انتقال آن داده‌ها به مركز برای تجزيه و تحليل آن داده‌ها و صدور صورت‌حساب برای مشتركان می‌باشد.
تكنولوژی اندازه گيری هوشمند قادر است مصرف انرژی و ديگر پارامترهای اندازه گيری را ذخيره كرده و در فواصل زمانی دلخواه گزارش دهد. اين قرائت زمان واقعی به مصرف كنندگان اين امكان را می دهد كه از ميزان مصرف انرژی و هزينه پرداختی به طور لحظه ای مطلع شوند و مصرف انرژی خود را متناسب با آن بخصوص در ساعات اوج مصرف كاهش دهند.
از طرفی در مراكز انرژی علاوه بر كاهش هزينه‌های ناشی از حذف نياز به قرائت دستی كنتورها، اطلاعات زمان واقعی از چگونگی مصرف انرژی و در نتيجه امكان مديريت توزيع توان فراهم مي‌شود. در ادامه با ما همراه باشید تا بیشتر در مورد سيستم قرائت كنتور با استفاده از ZigBee یاد بگیریم.
استاندارد IEEE 802.15.4 و Zigbee
استاندارد IEEE 802.15.4 پروتکل و ارتباط بین وسایل را از طریق مخابرات رادیویی بی سیم در یک شبکه شخصی PAN تعریف می‌کند. این استاندارد در باند فرکانسی ISM (صنعتی، علمی و پزشکی)، MHz 868 در اروپا، MHz 915 در آمریکا و GHz 4/2 جهانی کار می کند. هدف ایجاد استانداردی با پیچیدگی بسیار پایین، هزینه بسیار پایین، مصرف توان بسیار پایین و نرخ داده پایین برای ارتباط بی سیم بین وسایل ارزان است.
استاندارد از روش دستیابی CDMA/CA استفاده می‌کند و توپولوژی‌های مش و ستاره را پشتیبانی می‌کند. حداکثر نرخ داده خام kbps250 است که اکثر نیازمندی‌های کنترل و اتوماسیون صنعتی متعدد را برای ارتباط بی سیم برآورده می‌سازد.
در حالیکه استاندارد IEEE 802.15.4 لایه فیزیکی و پروتکلهای MAC را مشخص می‌کند، پروتکلهای لایه‌های بالاتر توسط این استاندارد پوشیده نمی‌شود.
اتحادیه ZigBee سازمانی از شرکت‌های صنعتی است که تکنولوژی‌های مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 را ترفیع می‌دهد و مجموعه مشخصات پروتکلهای سطح بالای مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 را منتشر می‌سازد. تکنولوژی ZigBee می‌تواند در کاربردهای مختلف صنعتی، ساختمانی، پزشکی، تجاری و غیره استفاده شود.
توپولوژی‌های تكنولوژی ZigBee
تكنولوژی ZigBee توپولوژيهای شبكه مختلفی دارد كه شامل ستاره (Star)، خوشه(Cluster Tree) و مش (Mesh) می‌باشد. اين توپولوژيهای مختلف در شكل1-1 نشان داده شده‌اند. سه نوع Device در هر شبكه مش ZigBee وجود دارد كه عبارتند از:
Coordinator: در هر شبكه تنها يك Coordinator وجود دارد كه وظيفه ذخيره‌سازی اطلاعات مربوط به شبكه را بر عهده داشته و همچنين مسير بهينه انتقال اطلاعات بين دو نود را تعيين مي‌كند.
Router: يك واسط برای انتقال اطلاعات بين نودها مي‌باشد.
End Device: كمترين عملكرد را در شبكه دارد و تنها می‌تواند با يك Router و يا با Coordinator ارتباط برقرار كند و قادر نيست اطلاعات را بين نودهای همسايه انتقال دهد.
ويژگی اصلی شبكه مش كه آن را از ساير توپولوژيها متمايز مي‌سازد اين است كه در اين توپولوژی علاوه بر ارسال و دريافت اطلاعات بيسيم توسط هر نود، Router مي‌تواند به عنوان يك واسط براي انتقال اطلاعات بين نودهای همسايه به كار رود. بدين ترتيب در شبكه مش بی‌سيم يك پكت داده مسير خود را به سمت مقصد نهايی پيدا كرده، از نودهای ميانی با لينك‌های ارتباطی مطمئن عبور می‌كند. ساير ويژگيهای مطلوب شبكه مش ZigBee شامل موارد زير است:
اگر يك نود به هر دليلی (نظير ورود تداخل RF قوی) دچار مشكل شود، پيام به طور خودکار از طريق مسيرهای ديگر به سمت مقصد هدايت می‌شود.
فاصله بين نودهای بی‌سيم می‌تواند كوتاه شود. اينكار كيفيت لينك بين نودها را به ميزان قابل توجهی افزايش می‌دهد، بدون اينكه توان ارسالی هر نود افزايش يابد.
به سادگی با اضافه كردن نودهای تكرار كننده در ميان شبكه، مي‌توان برد را گسترش داد، redundancy را افزود و اطمينان كلی شبكه را بهبود بخشيد.
يك شبكه مش قابل گسترش است و می‌تواند صدها يا هزاران نود را در برداشته باشد. استاندارد ZigBee تا 65536 نود شبكه را پشتيبانی می‌كند.
بر اساس ويژگيهای فراهم شده و همچنين امنيت بالای شبكه در تكنولوژی ZigBee (تكنولوژی ZigBee از الگوريتم AES 128بيتی استفاده می‌كند)، شبكه مش ZigBee در كاربرد قرائت خودكار كنتورها (AMR: Automatic Meter Reading) بسيار مناسب مي‌باشد.
كنتور ديجيتالA220 Elster و نرم‌افزار AlphaSET
در پياده‌سازی پايلوت AMR از كنتور Elster A220 استفاده شده است كه در ادامه مختصری به ويژگيهای آن پرداخته مي‌شود. اين كنتور امنيت بسيار بالا، دقت زياد و ساختار تعرفه‌بندی جامعی دارد كه مناسب برای اندازه‌گيری مصارف خانگی مي‌باشد. اين كنتور امكان گزارش‌دهی لودپروفايل را تا 420 روز در اختيار قرار مي‌دهد.
ارتباط با اين كنتور از طريق يك پورت نوری مطابق با استاندارد IEC61107 (يا همان IEC62056-21) ميسر مي‌باشد. اين پورت نوری از يك طرف بر روی پورت نوری كنتور قرار گرفته و از طرف ديگر به پورت سريال كامپيوتر متصل مي‌گردد و سپس توسط يك نرم‌افزار تحت ويندوز به نام alphaSET مي‌توان كنتور را برنامه‌ريزی و پيكربندی كرده و مقادير اندازه‌گيری شده را قرائت نمود.
اين كنتور دربرگيرنده دامنه وسيعی از داده‌های امنيتی (اطلاعات حفاظت شده)، همراه با شاخص‌های نشان دهنده و تاريخ وقوع آن مي‌باشد. اين موارد شامل:
- شمارش دفعات معكوس شده
- مجموع انرژی برگشتی
- نمايش دهنده كاركرد معكوس
- ساعات كاركرد دستگاه
- تعداد دفعات قطع برق
- ساعات خارج بودن دستگاه از مدار (استفاده غير مجاز از برق)
- دفعات برنامه‌ريزی دستگاه
- امكان نمايش صورت حساب‌ها (محاسبه نوبتهای صدور قبض)
- دفعات ريست (Reset) دستگاه (صفركردن)
- زمان وتعداد برداشتن پوشش ترمينال
در روش پیشنهادی برای قرائت هوشمند کنتور از شبکه مش بی سیم zigbee استفاده می‌شود كه نسبت به ساختارهای رايج از جهات مختلف برتری دارد. ويژگی‌هايی نظير مصرف توان بسيار پايين، امنیت بالای شبکه، قابلیت اطمینان بالا، انعطاف پذیری، قابلیت گسترش، استفاده از باند فركانسی آزاد، ارتباط با برد نسبتاً كوتاه، سازماندهی، شکل‌دهی و التیام خودکار شبکه، هزينه كم، سهولت نصب و … این تکنولوژی را برای مديريت و كارايی انرژی ايده آل می‌سازد.
سیستم پیشنهادی از ارتباط بین نودهای AMR در شبکه‌های مش بهره می‌گیرد تا داده‌ها را به مراکز جمع آوری کننده برساند. از آنجایی که کنتورها در مناطق مسکونی از هم دور نیستند، هر نود AMR قادر است داده‌ها را از طریق ارتباط بی‌سیم با برد نسبتاً کوتاه با واسطه نودهای همسایه‌اش به طرف مرکز جمع آوری داده بفرستد.
برخی از مهمترین مزایای روش پیشنهادی عبارتند از:
- عدم استفاده از نيروی انسانی و دخالت دستی در امر قرائت کنتور
- امکان قرائت لحظه‌ای کنتورهای ديجيتالی برق به صورت، روزانه ، هفتگی و ماهانه و يا هر در هر فاصله زمانی که کارفرما بخواهد. سامانه ياد شده قابل تنظيم و برنامه ريزی می‌باشد. ( اين سامانه می‌تواند درکنتورهای ديجيتالی آب و گاز نيز کاربرد داشته باشد)
- اطمينان کامل از امنيت و صحت اطلاعات دريافتی ناشی از قرائت و جلوگيری از خطاهای انسانی
- قرائت چندين كنتور، مثلاً در يك مجتمع مسكونی تنها با يك ماژول Zigbee می‌توان اطلاعات تمامی كنتورهای مجتمع را دريافت كرد
- انتقال اطلاعات قرائت کنتورها به صورت اتوماتيک به سامانه مرکزی با دقت و با قبوليت داده‌ها
- امکان قطع و وصل برق، خاموش و روشن کردن کنتورها با توجه به بدهی مشترک و يا به هر دليل ديگر. اين عمل بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور صورت می‌گيرد.
- امکان تنظيم دستگاه Zigbee بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور (تنظيم از راه دور)
- امکان اعمال تغييرات در تنظيمات کنتورها در يک زمان کوتاه
- امکان تبادل اطلاعات دو طرفه بين مرکز و کنتورهای برق
- امکان تغيير مسير ارسال اطلاعات به هر سرور يا مرکز جمع آوری داده‌ها (Data Server)که به سامانه معرفی می‌گردد
- جلوگيری از هر گونه دستکاری در پلمپ کنتورهای ديجيتال نصب شده در محل
- با توجه به قرائت به صورت روزانه، هفتگي و . . . علاوه بر کنترل مصرف، گرفتن آمار مصرف برق و يا صدور زود هنگام صورت حساب برای مشترکان امکان پذير است
- صدور صورت حساب به مشتركين از طريق SMS
- هشدار به مشتركين در ساعات اوج مصرف
- استفاده از شبكه موبايل موجود در مناطق تحت پوشش و نيز امكان پياده سازی در مناطقی كه تحت پوشش موبايل نيستند.
- امکان ارسال اطلاعات به صورت پيام کوتاه (SMS) ويا استفاده از بستر GPRS براي ارسال انواع داده‌ها (تصوير و صدا)
- بومي بودن طراحی و ساخت سخت افزار و نرم‌افزارهای مربوطه
- عدم مراجعه مأمور به درب خانه مشترکان و جلوگيری از ورود افراد به حريم خصوصی مردم اين امر موجب بالا رفتن امنيت در جامعه مي‌گردد.
در شبكه AMR پيشنهادی كه شماتيك آن در شكل2-5 مشاهده مي‌شود، از تركيب شبكه‌های مش ZigBee و شبكه GPRS استفاده شده است. برای نمونه این سیستم برای کنتورهای برق تشریح می‌گردد، درحالیکه این تکنولوژی برای هر کدام از کنتورهای دیجیتال آب، برق و یا گاز قابل اعمال است.
هدف اصلی طراحی
هدف اصلی در اين طراحی، ارسال قرائت های پریودیک از کنتورهای برق به یک سرور در اداره برق است. در این طراحی کل منطقه به نواحی جغرافیایی کوچکتر تقسیم می‌شود. هر کدام از این نواحی دارای یک نود مرکزی برای جمع آوری داده‌های قرائت شده از کنتورهای آن ناحیه می‌باشد. کنتورهای موجود در هر ناحیه با یک شبکه مش ZigBee به یکدیگر متصلند و داده‌های قرائت شده خود را از طریق این شبکه به نود مرکزی در ناحیه خود ارسال می‌نمایند. در نقاط مركزی، با استفاده از یک ریزپردازنده و یک مودم GPRS، داده‌های جمع آوری شده در بستر GPRS به سرور اداره برق منتقل مي‌گردند.
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
